清華大學(xué)數(shù)電10脈沖電路課件

1、1第十章第十章 脈沖波形脈沖波形 的產(chǎn)生和整形的產(chǎn)生和整形第一節(jié)第一節(jié) 概述概述本章只討論矩形脈沖。本章只討論矩形脈沖。矩形脈沖的主要參數(shù)：矩形脈沖的主要參數(shù)：脈沖周期脈沖周期T；脈沖頻率：脈沖頻率：脈沖幅度脈沖幅度VM；脈沖寬度脈沖寬度tW；上升時間上升時間tr；下降時間下降時間tf； 本章討論三種脈沖電路：施密特觸發(fā)器；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；多諧本章討論三種脈沖電路：施密特觸發(fā)器；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；多諧振蕩器。振蕩器。 每種電路都有三種構(gòu)成方式：集成；用門電路構(gòu)成；用每種電路都有三種構(gòu)成方式：集成；用門電路構(gòu)成；用555電電路構(gòu)成。路構(gòu)成。本章只介紹用本章只介紹用555電路構(gòu)成的脈沖電路。電路構(gòu)成的脈

2、沖電路。f = 1/T占空比占空比q：q=tw /T .【題【題10.1】【】【10.20】2第二節(jié)第二節(jié) 555定時器及其應(yīng)用定時器及其應(yīng)用一、一、555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能555電路又稱為電路又稱為集成定時器集成定時器。1972年由年由Signetics公司公司推出。既有雙推出。既有雙極型產(chǎn)品，也極型產(chǎn)品，也有有MOS型產(chǎn)品。型產(chǎn)品。它們產(chǎn)品型號它們產(chǎn)品型號的最后的最后3位數(shù)碼位數(shù)碼都是都是555.如：如：CB555 是國產(chǎn)雙極型電路；是國產(chǎn)雙極型電路；CH7555是是CMOS型電路。型電路。清零端清零端控制電壓控制電壓閾值端、閾值端、高觸發(fā)端高觸發(fā)端觸發(fā)端、觸發(fā)端

3、、低觸發(fā)端低觸發(fā)端放電端放電端CB555電路結(jié)構(gòu)圖電路結(jié)構(gòu)圖雙極型雙極型555電路電路CMOS型型555電路電路電源電電源電壓范圍壓范圍最大負最大負載電流載電流516V318V200mA4mA3低低導(dǎo)通導(dǎo)通1Vcc32VCC31低低導(dǎo)通導(dǎo)通1導(dǎo)通導(dǎo)通Vcc32Vcc32低低（不變）（不變）高高截止截止11Vcc32VCC31高高截止截止 （不變）（不變）VCOVCO 2電路的功能：電路的功能：當(dāng)在當(dāng)在VCO端外接控端外接控制電壓時，閾值電制電壓時，閾值電壓將變化：壓將變化：變?yōu)樽優(yōu)閂CO;變?yōu)樽優(yōu)閂CO/2。CCV32CCV31有兩個閾值電壓：有兩個閾值電壓：VR1=2VCC / 3 VR2=

4、VCC / 3 隨著隨著TH端和端和TR端的電壓不同，端的電壓不同，其工作狀態(tài)將發(fā)生變化：其工作狀態(tài)將發(fā)生變化：VCC312VCC / 3VCC / 30 RD TH TR TD狀態(tài)狀態(tài)o注意修改表注意修改表10.5.1及前面的論述及前面的論述4二、構(gòu)成施密特觸發(fā)器（二、構(gòu)成施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）（一）（一）施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器的特點：的特點： 1.輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入電平不同。入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入電平不同。 2

5、.在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部時，通過電路內(nèi)部 的正反饋過程使輸?shù)恼答佭^程使輸出電壓波形的邊沿出電壓波形的邊沿很陡。見很陡。見457頁頁（二）（二）工作原理：工作原理： 分析輸入電壓分析輸入電壓由由0V上升到上升到VCC和和由由VCC下降到下降到0V時，時，電路狀態(tài)如何變化。電路狀態(tài)如何變化。將將TH端和端和TR端并聯(lián)作端并聯(lián)作輸入端，接輸入電壓輸入端，接輸入電壓II5O0tI0tVCCVCC/32VCC/3V T+:正向閾值電壓正向閾值電壓或或上限閾值電壓上限閾值電壓VT- :負向閾值電壓負向閾值電壓或或下限閾值電壓下限閾值電壓V= VT+ - VT- ： 回差回差電壓傳電

6、壓傳輸特性輸特性若改變?nèi)舾淖僔CO值值VT+,VT-的值將改變。的值將改變。VOHF0.01I特點：特點：由于有比較器，允許輸入由于有比較器，允許輸入信號信號慢變化慢變化；由于有觸發(fā)器，輸出端邊由于有觸發(fā)器，輸出端邊沿好。沿好。V T+V T-IO請記錄請記錄458頁頁6（三）施密特觸發(fā)器的應(yīng)用（見（三）施密特觸發(fā)器的應(yīng)用（見464頁）頁）1.波形變換波形變換2.脈沖整形脈沖整形3.脈沖鑒幅脈沖鑒幅波形變換波形變換脈脈沖沖整整形形脈沖鑒幅脈沖鑒幅7（四）其他類型的施密特觸發(fā)器（四）其他類型的施密特觸發(fā)器用門電路也可構(gòu)成施密特觸發(fā)器；用門電路也可構(gòu)成施密特觸發(fā)器；還有集成的施密特觸發(fā)器。還有集成

7、的施密特觸發(fā)器。 用門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器已很少使用，用門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器已很少使用，這里不作介紹。這里不作介紹。集成施密特觸發(fā)器既有集成施密特觸發(fā)器既有TTL型，也有型，也有CMOS型。型。 如如74LS14是集成施密特觸發(fā)六反相器；是集成施密特觸發(fā)六反相器；74LS132是是施密特觸發(fā)的四施密特觸發(fā)的四2輸入與非門。輸入與非門。 如如CC40106是集成施密特觸發(fā)六反相器；是集成施密特觸發(fā)六反相器；CC4093是施密特觸發(fā)的四是施密特觸發(fā)的四2輸入與非門。輸入與非門。8三、構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器三、構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(Monostable Multivibration)（一）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的

8、特點（一）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點 1.有兩個狀態(tài)有兩個狀態(tài)穩(wěn)態(tài)、暫穩(wěn)態(tài)；穩(wěn)態(tài)、暫穩(wěn)態(tài)； 2.在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動返回；暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動返回； 3.暫穩(wěn)態(tài)維持時間長短取決于電路本身參數(shù)，與暫穩(wěn)態(tài)維持時間長短取決于電路本身參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IOIOtWtW由電路內(nèi)由電路內(nèi)部參數(shù)決定部參數(shù)決定暫暫穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)9F01. 0I（二）工作原理（二）工作原理1.穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)I=VH , 設(shè)設(shè)TD工作在飽和狀態(tài)，則：工作在飽和狀態(tài)，則：

9、VC=VTH=0V, 555電電路處于保持狀態(tài)，且路處于保持狀態(tài)，且一定是一定是VO=VL， 這是因為若假設(shè)這是因為若假設(shè)TD截止，則不合理。截止，則不合理。2.觸發(fā)觸發(fā)555電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為VO=VH此時此時TD截止截止，VC保持保持0V不變。不變。3.暫穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)電容電容C充電充電 CI=VILi充充其三要素為：其三要素為：(0)=0V,CC( )=VCC，=RCVCC+下頁下頁RC10F01. 0Ii充充+RC當(dāng)當(dāng) =2/3 VCC時，時，555電電路翻轉(zhuǎn)為輸出路翻轉(zhuǎn)為輸出VL,而而 保持保持不變。不變。CC5.恢復(fù)恢復(fù)由于由于TD導(dǎo)通，電容導(dǎo)通，電容C向向TD放放電，使電，

10、使 迅速下降為迅速下降為0V。Ctet)()0()()(4.自動返回自動返回上頁上頁VCCi放放用三要素法描述過渡過程用三要素法描述過渡過程:11（三）參數(shù)計算（以脈沖寬度為主）（三）參數(shù)計算（以脈沖寬度為主）VCCtW1.脈沖寬度脈沖寬度tW得到公式：得到公式：tWVCC0V2.恢復(fù)時間恢復(fù)時間tre:tre=(35)rcec3.分辨時間分辨時間td:td=tw+tretre*該電路特點：該電路特點：窄脈沖觸發(fā)。窄脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈觸發(fā)脈沖的最沖的最小周期小周期觸發(fā)脈沖寬度要小觸發(fā)脈沖寬度要小于輸出脈沖寬度于輸出脈沖寬度RC2/3VCCtet)()0()()(t)-)(0)-)(lnt12t0

11、2VCC若條件不滿足可在輸入端若條件不滿足可在輸入端加微分電路加微分電路 （供（供參考）參考）2RCF01. 0I13（四）應(yīng)用（請記錄）（四）應(yīng)用（請記錄）1.整形整形改變輸入脈沖的占空比。改變輸入脈沖的占空比。2.定時（延時）定時（延時）控制脈沖控制脈沖被測脈沖被測脈沖例例1：數(shù)字頻率計。：數(shù)字頻率計。例例2：延時觸發(fā)：延時觸發(fā)I1OOttt000tW2tW1能輸出固定寬度的脈沖。能輸出固定寬度的脈沖。寬度為寬度為1秒的秒的正脈沖正脈沖延遲時間為延遲時間為tW1，輸出脈寬為，輸出脈寬為Tw2.單單 穩(wěn)穩(wěn) 計數(shù)器計數(shù)器CP輸出頻率值輸出頻率值IO1O單穩(wěn)一單穩(wěn)一單穩(wěn)二單穩(wěn)二14OV（五）其他

12、類型的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（五）其他類型的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 用門電路可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；用門電路可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器； 也有集成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。也有集成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。1.集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 既有既有TTL電路產(chǎn)品，也有電路產(chǎn)品，也有CMOS電路產(chǎn)品。介紹電路產(chǎn)品。介紹74121。只。只介紹如何使用。（見介紹如何使用。（見471頁）頁）有三個輸入端：有三個輸入端：A1,A2為下降沿觸發(fā)輸入端；為下降沿觸發(fā)輸入端；B為上升沿觸發(fā)輸入端。為上升沿觸發(fā)輸入端。有兩個互補的輸出端有兩個互補的輸出端VO、VO。 電容需外接；電阻可選擇內(nèi)部電容需外接；電阻可選擇內(nèi)部的，也可外接。接法如圖。的，也可外接。接

13、法如圖?？捎霉δ鼙砘虿ㄐ螆D說明其工作原理?？捎霉δ鼙砘虿ㄐ螆D說明其工作原理。使用內(nèi)部電阻使用內(nèi)部電阻15保保持持A端端觸觸發(fā)發(fā)B端端觸觸發(fā)發(fā)1016工作波形：工作波形：輸出脈寬的計算：輸出脈寬的計算：從器件手冊可查到計算公式。從器件手冊可查到計算公式。74121的公式如下：的公式如下：tW 0.69RextCextRext的取值在的取值在2K 到到30K 之間；之間；Cext的取值在的取值在10pF到到10 F之間。之間。 tW的范圍在的范圍在20nS到到200mS之間。之間。 也可使用內(nèi)部電阻也可使用內(nèi)部電阻Rint代替外代替外接電阻接電阻Rext。Rint約為約為2K 。 74121是不可

14、重復(fù)觸發(fā)的。而是不可重復(fù)觸發(fā)的。而74122是可重復(fù)觸發(fā)的。見圖示。是可重復(fù)觸發(fā)的。見圖示。17RD2.CMOS微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）工作原理）工作原理 輸入端微分電路提取輸入端微分電路提取 的上升沿。的上升沿。I穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)：O=VDD，1O=0，2I=0。觸發(fā)：觸發(fā)：D1O2IO暫穩(wěn)態(tài)：暫穩(wěn)態(tài)：O=0，1O=VDD，2I=VDD。i充充C充電充電 2IVDD三要素為：三要素為：2I(0)=0，2I( )=VDD，=RC。自動返回：自動返回： 條件：條件： VTH。2I2IO1O+18VDDO=0，1O=VDD，2I VDD?；謴?fù)過程：恢復(fù)過程：電容電容C放電至起始狀態(tài)。放

15、電至起始狀態(tài)。所用時間為：所用時間為：Tre=(35)CRON（2）計算脈寬）計算脈寬tW 等于等于 由由0V上升到上升到VTH所用的時間：所用的時間：2IRCVVVRCttTHDDDDWIIIIW7.00ln)()()0()(ln2222門門G1的輸?shù)妮敵鲭娮璩鲭娮?.5VDD取消輸入微分電路會使輸出后沿變壞。取消輸入微分電路會使輸出后沿變壞。RDi充充+19不需輸入信號即可產(chǎn)生矩形脈沖。不需輸入信號即可產(chǎn)生矩形脈沖。四、構(gòu)成多諧振蕩器四、構(gòu)成多諧振蕩器(Astable multivibrator)t2（一）多諧振蕩器的特點（一）多諧振蕩器的特點（二）電路的原理（二）電路的原理剛接通電源：剛

16、接通電源：C=0V,TD截止。截止。此時為此時為暫穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)1：i充充C充電充電CVCC三要素為：三要素為：C(0)=0V1/3VCCC( )=VCC充充=(R1+R2)C在在t1時刻時刻 =2/3VCC，555電路翻轉(zhuǎn)。電路翻轉(zhuǎn)。Ct1C放電放電C0i放放=VH ，O進入進入暫穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)2 =VL，TD導(dǎo)通。導(dǎo)通。O+先接成先接成施密特施密特觸發(fā)器觸發(fā)器20三要素為：三要素為：C(0)=2/3VCC，C( )=0V，放放=R2C在在t2時刻時刻 =1/3VCC，555電路翻轉(zhuǎn)。電路翻轉(zhuǎn)。C（三）計算周期（三）計算周期T=T1+T2i充充i放放)()() 0()(ln11TTcccc充充1/3

17、vcc2/3vcc212112RRRRTTq占空比：占空比：+f = 1/TVCCt10t2VCCt10t2給施密特觸發(fā)給施密特觸發(fā)器輸入鋸齒波器輸入鋸齒波可產(chǎn)生矩形波可產(chǎn)生矩形波21（四）改進電路（四）改進電路占空比可調(diào)的多諧振蕩器占空比可調(diào)的多諧振蕩器T1=R1Cln2T2=R2Cln2q=211RRRT=(R1+R2)Cln2解：解：可選可選VCC=5V由由q公式，且公式，且q=2/3可求出：可求出： R1=R2由于由于 T=(R1+2R2)Cln2R1=48K選選C=10 F代入上式求出代入上式求出R2=R1=48K上述電路占空比始終大于上述電路占空比始終大于50%,且不可調(diào)。且不可調(diào)

18、。212112RRRRTTq例：用例：用CB555設(shè)計多諧振蕩器。要求設(shè)計多諧振蕩器。要求T=1s,3vvM5v,占空比占空比q=2/3。C選擇原則選擇原則:過大則漏電流大過大則漏電流大過小則電阻太大過小則電阻太大二者均可使周期不準二者均可使周期不準22（五）用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器（五）用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器1.非對稱式多諧振蕩器非對稱式多諧振蕩器(1)工作原理工作原理采用采用CMOS門；門；RF使門使門1工作在轉(zhuǎn)折區(qū)。工作在轉(zhuǎn)折區(qū)。 因此門因此門2也工作在轉(zhuǎn)也工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，電容折區(qū)，電容C引入正反饋，引入正反饋，使電路振蕩。使電路振蕩。 設(shè)設(shè)t1時刻時刻G1輸出低電平、輸出低電平、G2輸

19、輸出高電平。定為暫穩(wěn)態(tài)出高電平。定為暫穩(wěn)態(tài)2。1I當(dāng)當(dāng) VTH時，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)：時，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)：1I1I1O2O隨之電路進入暫穩(wěn)態(tài)隨之電路進入暫穩(wěn)態(tài)1。見下頁圖。見下頁圖。C充電充電 VDD0i充充231I1O2OC放電放電 1I1O=VDD，2O=0，1I=VTHVDD。在在t2時刻：時刻：在暫穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)1：t1t2i放放1I三要素為：三要素為：放放=RFC。t3在在t3時刻時刻 VTH，又發(fā)生，又發(fā)生連鎖反應(yīng)，進入暫穩(wěn)態(tài)連鎖反應(yīng)，進入暫穩(wěn)態(tài)2：1I1I(0)=VTHVDD，在暫穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)2，C充電的三要素為：充電的三要素為：1I(0)=VTHVDD，( )=VDD，1I充充RFC1I( )=0VDD024(2)周期計算：周期計算：T=T1+T2RFC1.1 ttWIIIIW)()()0()(ln1111 將前面的三要素代入下面的公式，即可求出將前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和和T2：V00VTHVDDRFCTHln T2RFC1.1 VVDDVDDVTH+